Génétique du péché originel

Le poids du passé sur l’avenir de la vie

Christian de Duve

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2009
• Imprimer l'ISBN: 9782738122186
• ISBN de l'eBook: 9782738196507
• Sujet: Sciences biologiques
• Sujet: Génétique et génomique

« J'aborde dans ce livre la saga extraordinaire de la vie sur Terre à la lumière des dernières découvertes de la science. Cette histoire a abouti au succès démesuré de notre espèce et aux menaces mortelles qu'il fait peser sur l'avenir. En privilégiant le bénéfice immédiat, au détriment, parfois, de l'avantage à long terme, la sélection naturelle se trouve, selon moi, à la source de cette extraordinaire réussite, mais aussi des périls qui en découlent. La science moderne a établi l'invraisemblance du récit biblique des origines du genre humain ; elle n'a pas pour autant invalidé l'intuition qui l'a inspirée. L'humanité est, de fait, entachée d'un défaut intrinsèque, d'un "péché originel" génétique, qui risque d'entraîner sa perte. Il nous faudra effectivement un rédempteur pour nous sauver, mais il ne peut venir que de l'humanité elle-même. Nous devrons trouver dans les ressources de notre esprit une sagesse qui n'est pas inscrite dans nos gènes. » C. de D. Le livre d'un grand biologiste, mais aussi d'un moraliste. Christian de Duve, prix Nobel de médecine, est professeur émérite à l'Université catholique de Louvain et à l'Université Rockefeller de New York. Il est l'auteur de À l'écoute du vivant (2002) et de Singularités (2005), qui ont été de grands succès.

Deuxième partie

Les mécanismes
de l’évolution

Chapitre 4

Le métabolisme

Mon dictionnaire définit le métabolisme comme l’« ensemble des transformations chimiques et physico-chimiques qui s’accomplissent dans tous les tissus de l’organisme ». Le mot clé est « chimiques ». Si on veut comprendre la vie, on doit passer par la chimie. Il ne peut, cependant, être question ici d’entrer dans le détail de transformations qui remplissent les traités de biochimie d’innombrables formules compliquées. Heureusement, il est possible de donner une idée de ce que représente le métabolisme sans faire appel à la moindre formule.

Les cellules vivantes sont des usines chimiques

Avez-vous déjà visité une usine chimique ? Si oui, vous les avez toutes vues, car toutes sont construites sur le même modèle : une série de cuves closes reliées par des tuyauteries. Les cuves sont le siège chacune, dans des conditions particulières de température, d’acidité, etc., et avec l’addition éventuelle d’un catalyseur pour faciliter la réaction, d’une étape du processus exploité. Les tuyaux servent à alimenter la cuve en réactifs et à permettre la sortie des produits. On introduit dans ce circuit les matières premières apportées de l’extérieur. Celles-ci circulent alors de cuve en cuve en se transformant progressivement, pour sortir finalement sous la forme de produits finis, que l’on conditionne et distribue à l’extérieur. Le chemin ainsi suivi varie selon la nature de ce qui est fabriqué. Il peut être plus ou moins compliqué, mais compte rarement plus de quelques dizaines d’étapes.

Les usines chimiques vivantes suivent le même modèle, sauf qu’elles exécutent simultanément une grande variété de programmes de production différents, que les étapes y sont beaucoup plus nombreuses et que, à part quelques compartiments, tels que les mitochondries, sièges chacun d’un grand nombre de réactions, il n’y a ni cuves ni tuyaux, ou leur équivalent. Tout se passe en une phase unique contenant toutes les substances participantes, ou pool métabolique. Cela est possible parce que ces substances peuvent se côtoyer sans du tout réagir les unes avec les autres. La circulation de matière à travers le système est entièrement assurée par les catalyseurs des réactions, le plus souvent des enzymes de nature protéique.

Les enzymes possèdent à la surface de leurs molécules des sites de fixation, qui captent spécifiquement à partir du pool métabolique les molécules des substances, ou substrats, qui participent à la réaction catalysée par l’enzyme. Les molécules ainsi captées se trouvent dans le rayon d’action d’un autre site, appelé site catalytique, qui assure leur transformation. La réaction terminée, les produits de celle-ci se détachent de l’enzyme et rejoignent le pool métabolique.

Les aliments apportés aux cellules de l’extérieur circulent d’enzyme en enzyme dans ces systèmes, en se transformant progressivement, pour donner naissance aux produits finaux. Ceux-ci comprennent les constituants propres que les cellules fabriquent pour remplacer les molécules endommagées ou détruites et pour satisfaire aux besoins de la croissance, les substances de réserve qu’elles entreposent, ainsi que les produits de sécrétion éventuels et les déchets qu’elles déchargent vers l’extérieur. Les chemins suivis par cette circulation chimique portent le nom de voies métaboliques.

Les cellules vivantes extraient l’énergie dont elles ont besoin de leur environnement

Tout comme nos usines chimiques, les usines cellulaires ont besoin d’énergie pour soutenir leurs activités. De nombreux mécanismes différents se sont développés à cet effet au cours de l’évolution, en rapport avec les sources exploitables d’énergie localement disponibles. À ce propos, une distinction importante oppose les organismes hétérotrophes aux autotrophes. Les premiers tirent leur énergie de la dégradation, avec oxygène (aérobie) ou sans ce gaz (anaérobie), d’aliments organiques fournis par d’autres (hêteros, en grec) êtres vivants. Ils utilisent ces mêmes aliments comme matériaux de base pour leurs biosynthèses. C’est le cas de tous les animaux, y compris les humains, ainsi que des mycètes et de nombreux microbes.

Les autotrophes se divisent en photosynthétiques, qui tirent leur énergie de la lumière solaire, et chimiosynthétiques, qui exploitent des réactions chimiques minérales. Les végétaux verts, ainsi que diverses algues et bactéries appartiennent au premier groupe. Les méthanogènes, mentionnés au chapitre précédent, sont un exemple particulièrement simple des seconds. Les autotrophes se distinguent des hétérotrophes par leur pouvoir de se passer de tout aliment de source vivante pour leurs biosynthèses. D’où leur nom, qui souligne le fait qu’ils se suffisent à eux-mêmes (autos, en grec), qu’ils n’ont pas besoin d’autres êtres vivants. Ils utilisent l’eau, le dioxyde de carbone, parfois l’azote atmosphérique et quelques éléments minéraux qu’ils extraient du sol. Leurs aliments, s’il leur en faut, sont les engrais minéraux, avec, notamment, des nitrates comme source d’azote, qu’on leur fournit quand le sol est trop pauvre.

Fait remarquable, cette extraordinaire diversité de mécanismes se regroupe autour d’un noyau bioénergétique commun à tous les êtres vivants et centré sur une substance clé désignée par l’acronyme ATP (pour adénosine triphosphate). Celle-ci est aussi, grâce à l’intervention de transformateurs appropriés, la principale source d’énergie pour les autres formes de travail – moteur, électrique, osmotique, informatique, etc. – exécutées par les êtres vivants.

L’ATP est le médiateur universel d’énergie. Il est parfois remplacé dans cette fonction par des substances chimiquement très voisines, qui ont pour nom GTP, CTP et UTP. Les quatre « NTP » sont aussi les précurseurs fondamentaux de la synthèse d’ARN. On reconnaît les quatre bases canoniques – A, G, C et U – déjà mentionnées au premier chapitre. Ce fait crée un pont, impressionnant de signification pour l’origine de la vie, entre énergie et information.

Les réactions métaboliques font intervenir des milliers de catalyseurs spécifiques

On vient de le voir, les voies métaboliques sont tracées par les agents qui les catalysent. Ceux-ci comprennent principalement les enzymes protéiques dont il a déjà été question. Quelques catalyseurs naturels sont de nature ARN et portent le nom de ribozymes. Viennent encore s’ajouter à cet arsenal catalytique un certain nombre de petites molécules, dénommées coenzymes, qui jouent, comme leur nom l’indique, un rôle auxiliaire essentiel dans de nombreuses réactions enzymatiques. Les coenzymes contiennent souvent une vitamine comme constituant actif. Plusieurs d’entre eux incluent dans leur structure un dérivé d’un des NTP mentionnés ci-dessus.

À leur tour, enzymes et ribozymes sont assemblés, en même temps que les autres protéines et ARN cellulaires, selon des plans entreposés dans des molécules d’ADN, sujettes elles-mêmes à réplication, le tout étant catalysé, comme tout ce qui se passe dans les cellules, par des enzymes et des ribozymes spécifiques.

Les voies métaboliques constituent des réseaux d’une énorme complexité

La plupart des substances qui participent au métabolisme interviennent à un double titre, comme produits d’une ou plusieurs réactions et comme substrats (corps réagissants) d’une ou plusieurs autres. Ces substances, appelées intermédiaires métaboliques, ou métabolites intermédiaires, pour cette raison, relient entre elles les réactions concernées. À titre d’exemple, imaginez deux réactions : une première par laquelle la substance A est transformée dans la substance B et une seconde qui transforme B en C. Ces deux réactions sont reliées entre elles par l’intermédiaire B, produit de la première et substrat de la seconde :

A → B → C

C’est le début d’une voie linéaire qui peut se prolonger s’il y a des réactions par lesquelles C donne D, celui-ci donne E, et ainsi de suite. Il peut y avoir plus compliqué.

Ainsi, s’il existe une deuxième réaction partant de B et menant à C’, B devient le départ d’une bifurcation dont une branche conduit vers C et l’autre vers C’. Les choses peuvent se compliquer encore plus, avec, par exemple, des substances autres que A convergeant vers B, ou des réactions faisant intervenir deux substrats différents issus de deux voies différentes, comme c’est le cas de la plupart des réactions métaboliques, ou, encore, des intermédiaires participant à plus de deux réactions, et ainsi de suite. On voit sans peine qu’un tel assemblage peut conduire à un vaste réseau multidimensionnel fait de voies linéaires, de bifurcations, de carrefours, d’étoiles, de ronds-points, de cycles et d’autres dispositions encore plus complexes.

Le métabolisme cellulaire constitue un tel réseau, d’une incroyable complexité. Représenté par la carte métabolique, c’est un réseau unique où tout se tient, avec quelques rares portes d’entrée pour les substances venant alimenter le réseau de l’extérieur et une série de portes de sortie menant les constituants cellulaires nouvellement synthétisés vers leurs sites propres, les substances de réserve vers leurs sites de dépôt, et les déchets et les produits de sécrétion vers l’extérieur. La complexité du réseau métabolique dépasse de loin celle des plus denses de nos réseaux routiers. Certains de ses carrefours, tels ceux occupés par des coenzymes qui participent à jusqu’à plusieurs dizaines de réactions différentes, peuvent être le point de départ et d’arrivée d’autant de voies distinctes, réduisant à l’insignifiance un carrefour comme celui de l’Étoile à Paris ou de Picadilly Circus à Londres.

C’est un réseau dynamique en perpétuel changement, où la circulation de matière est soumise à un ensemble tout aussi complexe de régulations automatiques qui adaptent constamment les unes aux autres les vitesses des réactions en cause. Certains points névralgiques y sont la cible d’influences extérieures qui permettent au réseau de s’ajuster à des changements de milieu, ou de répondre à des messages hormonaux ou nerveux. Beaucoup de poisons et de médicaments agissent en intervenant à l’un ou l’autre endroit du réseau métabolique, en inhibant une réaction, par exemple, avec comme conséquence des embouteillages qui peuvent se répercuter sur l’ensemble du réseau.

Les réseaux métaboliques varient selon les types cellulaires, qui leur doivent leurs propriétés particulières. Mais on y trouve certaines voies centrales communes à une grande majorité de cellules, telles celles connues par les spécialistes sous les noms de chaîne glycolytique ou de cycle de Krebs, ou encore les systèmes de synthèse des protéines. Ces voies remontent probablement aux débuts de la vie.

Nous sommes ce que sont nos catalyseurs

Cette affirmation résume le fait que tout ce que nous accomplissons dépend de réactions métaboliques et que celles-ci dépendent entièrement des enzymes, ribozymes et coenzymes que nous possédons. Les preuves en sont innombrables.

Prenez une substance comme la vitamine PP (qui prévient la pellagre), ou nicotinamide. C’est une petite molécule très simple, sans doute apparue très tôt dans l’histoire de la vie, car elle est le constituant clé de deux coenzymes centraux, appelés NAD et NADP par les biochimistes, présents dans la quasi-totalité des êtres vivants quelle que soit leur nature, où ils jouent un rôle essentiel dans de nombreuses réactions métaboliques. Au cours de l’évolution, un de nos lointains ancêtres a perdu une enzyme nécessaire à la synthèse de cette substance et nous a légué cette déficience. C’est pourquoi il nous faut trouver la nicotinamide dans notre alimentation. Il en est ainsi pour toutes les vitamines. Sans cela, elles ne seraient pas des vitamines. Pour certaines, la perte d’une enzyme critique est relativement récente. Ainsi, les primates (dont nous faisons partie) et le cobaye sont les seuls animaux susceptibles de contracter le scorbut, la maladie causée par la déficience en vitamine C. Tous les autres animaux fabriquent leur propre vitamine C. On raconte que les voyageurs au long cours, rongés par le scorbut suite au défaut de vivres frais, guérissaient lorsqu’ils étaient réduits à manger les rats présents sur le navire.

La perte d’une enzyme importante peut être encore plus récente. On connaît quantité d’affections congénitales dues à la déficience génétique d’une enzyme et appelées « erreurs innées du métabolisme » par Sir Archibald Garrod, le pédiatre anglais qui découvrit la première du genre. Ces maladies affectent le plus souvent un petit nombre de familles. Les mutations qui en sont responsables se sont donc produites chez des individus presque contemporains. La maladie de Tay-Sachs, par exemple, qui est restreinte à certaines populations juives, est due à une mutation dont on a pu retrouver l’origine au Moyen Âge dans un petit village d’Europe centrale.

Bien entendu, avant de perdre des enzymes, les êtres vivants ont dû les acquérir. La vie n’est évidemment pas née avec un assortiment complet de milliers de catalyseurs spécifiques. Il aurait dû y avoir création instantanée pour cela.

L’histoire du métabolisme remonte aux tout premiers jours de la vie

L’histoire du métabolisme se confond avec celle des catalyseurs biologiques et ne peut avoir été que progressive. Si l’on s’en tient aux enzymes protéiques, qui catalysent la grande majorité des réactions métaboliques, les études moléculaires ont permis de reconnaître deux mécanismes évolutifs importants.

Il y a d’abord la duplication de gènes, avec rétention des deux copies dans le génome. Ce phénomène permet à l’évolution de « bricoler », selon l’expression imagée inventée par le biologiste français François Jacob, sur une copie du gène pour en tirer éventuellement du neuf, tout en conservant l’autre copie inchangée pour continuer à assurer sa fonction. On connaît de nombreux exemples de ce mécanisme fondamental. J’aurai l’occasion d’y revenir.

Autre mécanisme important : la combinatoire modulaire. On a reconnu que de nombreuses protéines, et donc les gènes correspondants, sont composées d’un certain nombre de blocs distincts doués de fonctions particulières, telles qu’une activité catalytique donnée ou le pouvoir de fixer une certaine substance, par exemple un coenzyme. Les mêmes blocs se retrouvent souvent en diverses associations dans des molécules protéiques différentes, ce qui suggère que celles-ci sont le produit d’un jeu combinatoire de modules en nombre limité.

L’existence de ces modules jette une lumière intéressante sur les débuts des protéines, en suggérant que celles-ci ont commencé sous la forme de chaînes très courtes. Cette suggestion rejoint des études théoriques qui aboutissent, par une argumentation totalement indépendante, à la conclusion que les premiers gènes ont dû être très courts. On peut penser que les premières enzymes se trouvaient parmi les produits de traduction de ces gènes, avec des fonctions catalytiques sans doute rudimentaires, mais suffisantes pour jouer un rôle dans le métabolisme naissant. Le temps, les mutations, les duplications, le bricolage, la combinatoire modulaire et la sélection naturelle (voir chapitre 7) ont fait le reste, pour créer finalement le réseau de complexité effarante, fait de milliers de catalyseurs hautement sophistiqués, qui constitue le métabolisme d’aujourd’hui.

Mais ce n’est pas tout. Avant les protéines, il y a eu, comme on l’a vu au chapitre 2, les ARN, auxquels on doit, notamment, l’« invention » d...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Dédicace
• Préface
• Avant-propos
• Première partie - L’histoire de la vie
• Deuxième partie - Les mécanismes de l’évolution
• Troisième partie - L’aventure humaine
• Quatrième partie - Les défis du futur
• Envoi
• Du même auteur chez Odile Jacob